Изделия электронной техники и нанотехнологии


PDF версия

Процесс миниатюризации изделий электронной техники неуклонно приближает момент перехода критических размеров элементов из микро- в нанодиапазон. В статье рассмотрены перспективы нанотехнологий, способных дать новые материалы и конструкции электронной отрасли.

Приставка «нано» (1 нанометр (нм) = 10–9 м) уже давно используется в науке и технике, но термины «нанонаука», «нанотехнология» и «наноматериалы» появились в последние 10—15 лет и имеют дело с т.н. наноразмерными объектами величиной от долей нанометра до 100 нм. Cистемы от 100…1000 нм (1 мкм) принято называть ультрадисперсными. Нижний предел интервала размеров (доли нм) определяется размерами атомов и молекул.

Нанотехнологии — это технологии, использующие физические объекты, размеры которых менее 10–7 м. Использование таких объектов при создании различных изделий позволяет создавать принципиально новую продукцию, которую невозможно получить в традиционных подходах, что связано с особенностями протекания физических процессов в объектах с нанометровыми размерами.

Нанонауку можно определить как совокупность знаний о свойствах вещества в нанометровом масштабе, а нанотехнологию — как умение целенаправленно создавать объекты (с заранее заданным составом, размерами и структурой) в диапазоне размеров приблизительно 1…100 нм [1]. Именно в этом интервале наноразмеров, на молекулярном уровне, природа «программирует» основные характеристики веществ, явлений и процессов. Специфичность свойств вещества в нанометровом масштабе обусловлена как размерами элементов структуры нанообъектов, сравнимых с размерами атомов и молекул, так и проявлением квантово-механических эффектов, волновой природой процессов переноса и доминирующей ролью поверхностей раздела. Это позволяет получать материалы с новыми функциональными характеристиками, отличающимися от характеристик обычных материалов.

Электронная промышленность использует и развивает наиболее передовые научные направления и промышленные технологии. При условии, что миниатюризация изделий электронной техники уже достигает физических пределов, а объем производства изделий электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры по прогнозам аналитиков в ближайшее время превысит 20% от всего мирового производства, востребованность нанотехнологий в этой отрасли чрезвычайно высока и актуальна. «Сегодня за рубежом производство электроники (в частности, транзисторов) вышло на уровень 45 нм. На «Микроне» (г. Зеленоград) — производство уже в размере 180 нм и рассматриваются продвижения на 90 и 45 нм», — пишет в статье [2] академик Ж.И. Алферов. Фирма Intel Corporation опубликовала таблицу уменьшения характерных размеров транзисторов на кремнии в зависимости от года их производства (см. табл. 1), прогнозируя к 2016 г. уменьшение размеров до 22 мкм.

Таблица 1. Уменьшение характерных размеров кремниевых транзисторов в зависимости от года их производства

Год выпуска

2001

2004

2007

2010

2013

2016

Характерный размер, мкм

130

90

65

45

32

22

Проблема перехода к наноэлектронной элементной базе будет решаться параллельно разными способами: наряду с традиционной кремниевой появятся также транзисторы на сверхрешетках различных полупроводниковых семейств; одноэлектронная электроника на квантовых точках; электроника на углеродной базе и органическая электроника [3].

Из самых последних достижений в этой области знаний — открытие русскими физиками (В. Шалаев и М. Ногинов) трех американских университетов и демонстрация рабочего прототипа нанолазера — 44 нм-спайзера (Surface Plasmon Amplification by Simulated Emission of Radiation (Spaser) — усиление стимулированного излучения поверхностными плазмонами) [4]. Поверхностные плазмоны — квазичастицы, представляющие собой, в первую очередь, кванты колебаний плотности свободных электронов металла, распространяющиеся только вдоль его границы с диэлектриком. В практике — это многообещающая идея создания нового класса миниатюрных устройств, базирующихся на эффективном управлении физическими свойствами плазмонных волн, проявляемыми на наноуровне. М. Ногинов полагает, что способность спайзера генерировать поверхностные плазмоны открывает дорогу для разработки нового поколения сверхбыстрой электроники, а собственно спайзеры найдут практическое применение не в качестве базовых элементов оптических компьютеров, а в производстве различных устройств магнитного накопления и хранения данных для сверхточного нагревания магнитных носителей в процессе записи информации.

В работах [5, 6] подробно рассматриваются вопросы истории, состояния, перспектив развития и успехов нанотехнологий за рубежом [5] и в России [6]. В работе [7] авторы описывают возможные способы наномеханообработки поверхностей, указывая на то, что с 1882 г. (американец Роуланд), когда было достигнуто разрешение 1700 штрихов на 1 мм (размер штриха 600 нм ) алмазным резцом и до современных делительных машин, которые делают 3600 штрихов на 1 мм, точность повысилась всего лишь в 2 раза. Поэтому в настоящее время в качестве основного инструмента наномеханообработки рассматриваются кантилеверы сканирующих зондовых микроскопов (стандартные — из кремния) с размерами кривизны кончика зонда 50…70 мкм. Предел прочности кремния составляет 100 МПа, поэтому кремниевые кантилеверы пригодны лишь для модификации мягких материалов — полимеров и тонких пленок. Для глубокой модификации металлов (Ni, Cu, Ag) предлагается использовать кантилеверы с алмазным покрытием толщиной до 70 нм.

В настоящее время в производство изделий электронной техники активно внедряется электронно-лучевая литография. Пока она не достигла промышленных масштабов и используется для производства единичных изделий. Развившаяся в 50—60 гг. XIX в. в технологию печати высокого разрешения из техники сканирующей электронной микроскопии (SEM), она использует почти то же оборудование, которое легко модифицируется в оборудование для нанолитографии, при условии добавления устройства для включения и выключения луча. Современные системы электронно-лучевой литографии могут производить структуры в несколько микрон в длину и менее 10 нм в ширину на поверхности размером в 1 кв. мм [8].

На форуме по нанотехнологиям в 2009 г. И.И. Бобринецкий и В.К. Неволин предложили физико-технологические основы формирования планарных одномерных структур наноэлектроники, разработанные конструктивные основы их интеграции с методами традиционной микроэлектроники, например, основы интеграции углеродных нанотрубок в состав компонентов изделий электронной техники, позволяющие формировать элементы и структуры с заданным количеством нанопроводов.

С экономической точки зрения, объем мирового рынка нанопродукции в 2001 г. составил 45 млрд долл., а через 10—15 лет ежегодный оборот этого рынка, по прогнозам, составит около 1 трлн долл., а стоимость, например, транзистора, уменьшилась за последние 4 десятилетия с 2 долл. в 1968 г. до менее чем 10 нанодолларов в 2008 г.

Что уже сегодня можно использовать в электронной промышленности, в частности, для производства пассивных радиоэлектронных компонентов? Это, во-первых, наиболее общие российские нанотехнологии, которые применяются во многих отраслях промышленности [6]:

– извлечение металлов и их соединений в виде нанодисперсных порошков из отработанных растворов и сточных вод гальванических цехов (Иваново);

– технология получения углеродных нанотрубок (УНТ) (в Тамбове работает установка производительностью до 3 т нанотрубок в год), применяемых для изготовления новых видов конструкционных и композиционных материалов, радиопоглощающих материалов и покрытий, огнезащитных материалов и покрытий, электропроводящих и антистатических клеев, стойких покрытий для различных поверхностей и т.д. Состояние производства углеродных нанотрубок и нановолокон (УНВ) отражено в статье [9]. Несмотря на то, что десятки фирм по всему миру производят и продают УНТ и УНВ и уже появились на рынке пасты, гели, концентраты полимеров из УНТ, композиты с УНТ, все еще отсутствует стандарт качества УНТ. Состояние с производством и применением УНТ в России иначе чем тревожным назвать нельзя, поскольку в этой области Россия уступает не только Японии, КНР и США, но и Испании, Кипру и ряду развивающихся стран;

– технология производства жаро- и износостойких медных гранулированных композиционных ма-
териалов с упрочняющими наночастицами оксидов, карбидов, боридов и др. для электродов для контактной сварки, токосъемных элементов (Чебоксары);

– технология производства новой функциональной керамики (Н. Новгород и Томск) [10], позволяющая формировать изделия с точно заданными размерами, т.е. не требующие дальнейшей механической обработки. Отечественная промышленность, в частности, ФГУП «ОНПП «Технология» (Обнинск, Калужская обл.) предлагает наноструктурную керамику на основе оксида алюминия для работы в экстремальных условиях эксплуатации различных форм и размеров, наномодифицированный углепластик для изготовления легких и термостойких деталей, а также волоки из наноразмерного диоксида циркония, позволяющие получить проволоку с улучшенным состоянием поверхности;

– технология получения объемных ультрамелкодисперсных материалов методом интенсивной пластической деформации (ИПД). Полученные этим методом наноструктурированные сплавы обладают повышенными механическими характеристиками (ТiNi), а магнитные сплавы (Fe-Co) — повышенными магнитомягкими свойствами (Уфа) [11].

Новое нанотехнологическое СВЧ вакуумно-плазменное оборудования для получения высококачественных тонких пленок, очистки поверхностей, пассивации, планаризации, снятия резиста, сухого травления для ИС размерами менее 100 нм (0,1 мкм) на пластинах диаметром до 300 мм с применением низкоэнергетичной высокоионизированной плазмы микроволнового газового разряда с электронным циклотронным резонансом предлагает ФГУП «НПП «Контакт» [12].

Не вызывает сомнений, что получаемые в Тамбове наноуглеродные порошки необходимо опробовать при создании самовосстанавливающихся предохранителей (СВП), основным элементом которых является проводящая полимерно-углеродная пленка с заранее заданными электропроводящими свойствами.

Применение получаемых сегодня наноразмерных порошков металлов и оксидов металлов ограничивает их высокая стоимость, но, добавляя их в качестве легирующих добавок в небольших количествах в сплавы, пасты, резины, полимеры, можно значительно улучшить свойства легированного материала.

Предприятия электронной промышленности, в частности, ФГУП «НИИЭМП» — головной институт резисторостроения, уже более 40 лет использует нанотехнологии в своем производстве. Это — изготовление тонких резистивных пленок методом напыления из ультрадисперсных и нанопорошков; производство резистивных, проводниковых и защитных паст для толстопленочной технологии, в состав которых входят ультра- и нанодисперсные порошки Ag, Pd, RuO2, Bi2Ru2O7, PB2 Ru2O6, La2O3, а также легирующие добавки TiO2, CuO, MnO2, Nb2O5, Sb2O5, SnO2 и другие оксиды; производство СВП на фазовом переходе, в состав полимерно-углеродной композиции которых входят наночастицы (менее 30 нм) технического углерода или акриловой сажи, определяющие проводимость в этой системе. В работе [13] приведены основные технические характеристики самовосстанавливающихся предохранителей и возможности их использования.

Отсутствие физико-технического оборудования и приборов для точного измерения размеров и изучения гранулометрического состава нанопорошков (оно и сейчас стоит очень дорого) не позволило специалистам работать в области наноразмеров. Однако поскольку задачи миниатюризации пассивных радиоэлектронных компонентов, улучшения их электрофизических характеристик и эксплуатационных параметров до настоящего времени остаются актуальными, специалисты возлагают особые надежды на скорое применение нанотехнологий, в первую очередь, в материаловедении. Впервые нанотехнологии открывают возможность перехода к новому поколению материалов, свойства которых изменяются не путем изменения химического состава компонентов, а в результате регулирования их размеров и форм. Это поможет в изучении электропроводности композиционных материалов, в изучении причин деградации материалов на наномасштабном уровне при воздействии внешних факторов: влаги, высоких температур, радиации, активных химических средств, вибрации и т.д., что позволит создавать новые стойкие материалы и изделия в интересах Министерства обороны РФ. Применение нанотехнологий позволит решить самые актуальные на сегодня проблемы отрасли:

– миниатюризация пассивных электронных компонентов;

– повышение эксплуатационных параметров и улучшение электрофизических характеристик компонентов;

– повышение стойкости изделий к воздействию факторов внешней среды (тепла, влаги, радиации, вибраций, и т.д.);

– создание новых типов бессвинцовых припоев;

– создание новых типов керамических подложек и изделий из керамики, не требующих дальнейшей механической обработки;

– создание новых полимерных, клеевых, защитных композиционных материалов и покрытий, новых конструкционных прочных и пластичных материалов (такие материалы называются «интеллектуальными»);

– создание нового направления — нанометрологии.

Литература

1. М.К. Роко, Р.С. Уильямс, П. Аливисатос. Нанотехнология в ближайшем десятилетии — прогноз направления исследований — М.: Мир. — 2002. — 291 с.

2. Ж.И. Алферов. Россия нуждается в своих нанотехнологиях//Российские нанотехнологии. — 2008. — т. 3. № 11–12, с. 8–12.

3. Е.А. Андрюшин. Сила нанотехнологий. Наука и бизнес//М.: Фонд «Успехи физики» — 2007 — с. 160.

4. Т. Оганесян. Наши сделали американский нанолазер//Эксперт. — 2009, № 32 (669).

5. Г.Г. Крушенко. История, состояние и перспективы развития нанотехнологий (Nano — curriculum vitae)//Нанотехника. — 2006. — № 4(8). — с. 16—22.

6. М.А. Ананян. Регион: шаги наноиндустрии//Нанотехника. — 2006. — № 4(8) — с. 4—13.

7. В.В. Попов, А.М. Салецкий. Наномеханообработка. Возможности и перспективы//Российские нанотехнологии. — 2008 — т. 3. №№9—10. с. 32—35.

8. Faiz Rahman. Nanostructures in Electronics and Fotonics//Pan Stanford Publishing. — 2008. — p. 302.

9. Э.Г. Раков. Состояние производства углеродных нанотрубок и нановолокон//Российские нанотехнологии. — 2008 — т. 3. №№9—10. — с. 89—94.

10. О.Л. Хасанов. Технология изделий из нанокерамики//Нанотехника. — 2006. — №3. — с. 82—83.

11. Р.З. Валиев, Ю. Эстрин, З. Хорита, Т.Г. Лэнгдон, М.Й. Зехетбауэр, Ю.Т. Жу. Получение объемных ультрадисперсных материалов методом интенсивной пластической деформации//Нанотехника. — 2006. — №4. — с. 57—65.

12. Р.К. Яфаров. Нанотехнологическое СВЧ вакуумно-плазменное оборудование//Нанотехника. — 2006. — №4. — с. 73—78.

13. Т.П. Каминская, К.И. Домкин. Самовосстанавливающиеся предохранители для автомобильной электроники//Электронные компоненты. — 2008 — №5 —
с. 80—82.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *